Рубрики
Разное

Шатун в двигателе: Шатун Двигателя. Что это такое, его поломки и их причины, способы восстановления | SUPROTEC

Шатун двигателя внутреннего сгорания | ЖЕЛЕЗНЫЙ-КОНЬ.РФ

Шатун не только воспринимает от поршня силу давления газов при рабочем ходе и передаёт её коленчатому валу, но и перемещает поршень при вспомогательных процессах. Шатун совершает сложное плоскопараллельное движение: движется вдоль цилиндра возвратно-поступательно, а также качается относительно оси поршневого пальца. Воспринятая поршнем сила давления газов сжимает шатун в процессе рабочего хода и в конце такта сжатия, в то время как инерционные нагрузки стремятся оторвать поршень от коленчатого вала и растягивают его. Помимо этого, знакопеременное качательное движение формирует силу инерции, которая изгибает шатун в плоскости его качания.

Конструктивное исполнение шатуна и применяемые для его изготовления материалы должны обеспечивать максимальную жёсткость при минимальных массогабаритных характеристиках. К основным элементам шатуна относятся: поршневая (верхняя) головка (2) [рис. 1], стержень (5) шатуна, кривошипная (нижняя) головка (6).

Рис. 1. Шатун с поршнем. Дизельный двигатель Д-240.

1) – Отверстие в верхней головке шатуна;

2) – Верхняя головка шатуна;

3) – Поршневой палец;

4) – Втулка;

5) – Стержень шатуна;

6) – Нижняя головка шатуна;

7) – Вкладыши;

8) – Крышка нижней головки шатуна;

9) – Гайка;

10) – Стопорная шайба;

11) – Болт.

Конструкция верхней головки шатуна определяется не только габаритами поршневого пальца, который соединяет шатун с поршнем, но и способом крепления данного пальца в поршне. Широкое распространение в автомобильных и тракторных двигателях нашли неразъёмные верхние головки с плавающими поршневыми пальцами. В поршневые головки запрессовываются (с некоторым натягом) бронзовые либо биметаллические втулки. Отличные результаты даёт использование биметаллических втулок из стальной трубы либо полосы с плакированным слоем (толщина 0,3-0,5 мм) бронзы БрОФ 6,5-0,15.

Верхняя головка шатуна имеет длину меньше на 2-4 мм, чем расстояние между торцами бобышек поршня, за счёт чего исключается возможность трения головки шатуна о бобышки поршня. Расположенное в верхней головке шатуна, а также в его втулке отверстие (1) предназначено для подвода к поверхности поршневого пальца масла. Данные отверстия для смазывания поршневых пальцев предусмотрены в шатунах двигателей ЗМЗ-53, ЗИЛ-130 и прочих.

Сечение стержней шатунов автомобильных и тракторных двигателей – двутавровое. С целью обеспечения равнопрочности шатуна (4) по длине прочность сечения увеличивается от верхней головки к нижней [рис. 2]. Как правило, стержень шатуна симметричен относительно продольной оси кривошипной (нижней) головки (двигатели Д-240, А-01, ЗИЛ-130, А-41, Д-144). В отдельных случаях он смещён по отношению к кривошипной головке, за счёт чего обеспечивается уменьшение расстояния между осями цилиндров, а также длины двигателя (при двухпролётных валах). Асимметричные стержни шатунов применяются в двигателях СМД-60, ЗМЗ-53, ЯМЗ.

Рис. 2. Кривошипно-шатунный механизм дизельного двигателя СМД.

1) – Шкив коленчатого вала;

2) – Шестерня привода масляного насоса;

3) – Коленчатый вал;

4) – Шатун;

5) – Втулка верхней головки шатуна;

6) – Поршень;

7) – Стопорное кольцо;

8) – Поршневой палец;

9) – Расширитель;

10) – Поршневое маслосъёмное кольцо;

11) – Поршневые компрессионные кольца;

12) – Вкладыши коренных подшипников;

13) – Упорные полукольца;

14) – Маховик коленчатого вала;

15) – Гайка;

16) – Фланец крепления маховика;

17) – Маслоотражатель;

18) – Шестерня привода газораспределения;

19) – Масляная полость шатунной шейки;

20) – Шатунный болт;

21) – Крышка нижней головки шатуна;

22) – Вкладыш шатунного подшипника;

23) – Противовес;

24) – Маслоотражатель.

В стержнях шатунов дизельных двигателей (А-41, Д-144, А-01М, СМД-60, ЯМЗ) выполнен канал (5) [рис. 3, а)] для подвода смазки от нижней головки шатуна непосредственно к поршневому пальцу. Поступающее по сверлению в стержне шатуна масло (применительно к двигателям Д-160 и Д-144) также используется для охлаждения днища поршня.

Рис. 3. Поршень двигателя внутреннего сгорания.

а) – Поршень дизельного двигателя А-41;

1) – Днище поршня;

2) – Камера сгорания;

3) – Уплотняющая часть поршня;

4) – Юбка (направляющая часть) поршня;

5) – Канал в стержне шатуна;

6) – Шатун;

7) – Втулка верхней головки шатуна;

8) – Бобышка поршня;

9) – Канавка для маслосъёмного кольца;

10) – Поршневой палец;

11) – Стопорное кольцо;

12) – Канавки для компрессионных колец;

13) – Кольцевая канавка;

14) – Отверстие для стока масла;

б) – Головки поршней;

1) – Д-21А1, Д-144;

2) – А-41, СМД-60, А-01, двигателей семейства КамАЗ и ЯМЗ;

3) – Д-160, Д-240;

в) – Поршень бензинового двигателя ЗМЗ-53.

Кривошипная (нижняя) головка шатуна является его наиболее сложным конструктивным элементом. Помимо высокой жёсткости для надёжной работы шатунных вкладышей она также должна иметь минимальные массогабаритные характеристики (для снижения инерционных сил), плавные переходы (чтобы избежать концентрации напряжений) и обеспечивать возможность монтажа/демонтажа шатуна через цилиндр двигателя. Широкое распространение получили шатуны, имеющие кривошипную головку с прямым плоским разъёмом под прямым углом (90 градусов) к главной оси шатуна [рис. 4, а)]. Данные шатуны устанавливаются в двигатели ЗМЗ-54, КамАЗ, ЗИЛ-130, Д-240 и прочие.

Рис. 4. Конструктивные схемы нижних головок шатунов.

а) – Головка шатуна с прямым плоским разъёмом;

б) – Головка шатуна с косым разъёмом;

в) – Головка шатуна с фиксацией крышки треугольными шлицами;

г) – Головка шатуна с фиксацией крышки призонными штифтами;

д) – Схема для определения распрямления вкладыша;

е) – Схема для определения выступания вкладыша;

Dn – Диаметр постели;

2uo – Суммарное распрямление;

Т – Сжимающая сила;

Δh – Выступание;

R – Нагрузка на торец вкладыша;

ж) – Шатунный вкладыш:

1) – Плоскость разъёма;

2) – Внутренняя поверхность вкладыша;

3) – Наружная цилиндрическая поверхность вкладыша;

4) – Торец вкладыша;

5) – Фиксирующий ус;

6) – Основа вкладыша;

7) – Промежуточный технологический слой;

8) – Скос;

9) – Антифрикционное покрытие;

10) – Смазочное отверстие;

S – Толщина вкладыша;

f – Глубина скоса;

k – Высота скоса;

α – Угол расположения смазочного отверстия.

В нижней головке шатунов бензиновых двигателей ЗМЗ-53 и ЗИЛ-130 имеется небольшое отверстие, которое отвечает за периодическое фонтанирование масла, подводимого к шатунному подшипнику. Данное масло смазывает не только зеркало цилиндра, но и кулачки распределительного вала, а также толкатели.

В некоторых двигателях, имеющих увеличенные размеры шатунной шейки, кривошипные головки выполняются с косым разъёмом с целью удобства демонтажа. Плоскость разъёма располагается под углом 55 градусов к главной оси шатуна. В данном случае стыковые поверхности [рис. 4, б) и в)] изготавливают не только плоскими (дизельный двигатель СМД-60), но и шлицевыми (дизельные двигатели А-01, ЯМЗ, А-41).

Шатуны современных двигателей выполняются из углеродистых либо легированных сталей посредством горячей штамповки с дальнейшей механической обработкой рабочих поверхностей. Чтобы достичь высоких прочностных характеристик шатуны подвергаются термообработке (нормализация, закалка, отпуск). Также широкое применение в обработке поверхностей шатунов нашла дробеструйная обработка, цель которой – повышение усталостной прочности.

Кривошипная головка шатуна изготавливается разъёмной для возможности соединения её с коленчатым валом. Съёмная часть данной головки называется крышкой и выполняется из того же материала, что и сам шатун. Верхняя часть кривошипной головки и крышка обрабатываются совместно, вследствие чего перестановка крышки с одного шатуна на другой запрещена. Поверхности обеих половин кривошипной головки шатуна имеют одинаковые номера либо метки спаренности, используя которые производят соединение крышки с шатуном и шатуна с поршнем соответствующего цилиндра.

17*

Шатун двигателя

Шатуны соединяют коленчатый вал с поршнями и таким образом передают силы действия газов и силы инерции на шатунную шейку коленчатого вала. Шатун обеспечивает возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре. Верхняя головка шатуна со стороны поршня в направлении опоры поршневого пальца на многих современных двигателях имеет втулку ВГШ из бронзы.  Шатун устанавливается на шейке кривошипа коленчатого вала посредством шатунных вкладышей. Нижняя головка шатуна имеет разъемное исполнение для монтажа на коленчатом валу. Для подачи масла к поршневому пальцу в конструкции шатуна предусматривают отверстие между верхней головкой шатуна (ВГШ) и нижней головкой шатуна (НГШ).


Шатун изготавливается из стали путем ковки или литья, причем в зависимости от нагрузки используется либо легированная, либо улучшенная сталь.


Шатуны подлежат замене, если они сломались или погнулись или если были разрушены опоры подшипников шатунов. Если остальные шатуны не повреждены, то шатуны можно заменять по отдельности, при этом рекомендуется взвесить старые шатуны и новый шатун подобрать или подогнать под вес старых шатунов.


При ремонте двигателя рекомендуется менять болты нижней головки шатуна.


 


Шатуны подлежат ОБЯЗАТЕЛЬНОЙ проверке и при необходимости замене в следующих случаях:


  • значительные повреждения шатунных вкладышей коленчатого вала

  • гидроудары в цилиндро-поршневой группе

  • существенные повреждения поршней, например, в результате превышения максимально допустимой частоты вращения

  • детонационное сгорание

  • ошибки при монтаже, например, перепутывание крышек нижней головки шатунов

  • поломки и/или повреждение поршней и гильз цилиндров

 


Конструкция шатуна:



 


Конструктивные особенности нижней головки шатуна:


«Прямой» и «косой» разъем нижней головки шатуна:



 


«Ломаный» разъем нижней головки шатуна:



«Ломаные» шатуны изначально изготавливаются в виде цельной детали, затем на них наносят насечки для разлома (металлокерамический шатун) или лазерную насечку (стальной шатун), после чего их целенаправленно ломают на две части (крекинг). Обе части свинчивают при монтаже шатуна. Благодаря наличию места разлома они точно подходят друг к другу. Из-за индивидуальной геометрии разлома, шатуны и крышки шатунов всегда должны использоваться вместе и не могут быть заменены по отдельности! Ломаные шатуны имеют преимущества в отношении прочности и точности изготовления. После монтажа поверхности разъема почти не видны. Шатуны и крышки шатунов устанавливаются с высокой точностью и благодаря этому обеспечивают оптимальную передачу силы.


«Зубчатый» разъем нижней головки шатуна:



 


Конструктивные особенности верхней головки шатуна:


«Прямая» и «трапециевидная» верхняя головка шатуна:


Физика шатуна — журнал NASA Speed ​​News Magazine

Безусловно, один из наиболее важных компонентов внутри двигателя подвергается наибольшей нагрузке. Шатуны получают мощность от процесса сгорания и преобразуют ее во вращение коленчатого вала, что, конечно же, и заставляет все работать.

Чем больше мощности вы хотите получить, тем больше оборотов вам требуется, тем больше нагрузка на шатуны, и это не только одно. Стержни подвергаются растягивающим, сжимающим и изгибающим нагрузкам, и заставить их выдержать все три фактора — это вопрос конструкции, материалов и изготовления.

«Существует большое усилие при растяжении, сжатии и небольшом изгибе, так что это основные вещи, на которые мы обращаем внимание», — сказал Клейтон Стотерс, ведущий инженер Wiseco. «Инерционный случай также довольно тяжел для шатунов, потому что 10 000 об / мин — это большая нагрузка, поэтому мы много смотрим на растягивающую нагрузку.

Когда поршень поднимается в верхнюю мертвую точку, а коленчатый вал начинает вторую половину своего оборота, вытягивая большой конец шатуна, два конца шатуна, по существу, отрываются друг от друга. Это растягивающая нагрузка, и она также возникает, когда вы отпускаете газ и замедляетесь. Это создает нагрузку на крышку штока и болты штока, которые также передают свою нагрузку на большой конец штока.

Нагрузка сжатия возникает, когда поршень передает нагрузку от камеры сгорания на поршневой палец, а также на шток и коленчатый вал. Сжимающая нагрузка также возникает на такте сжатия, хотя и в меньшей степени. Шатун также испытывает напряжения изгиба, которые возрастают пропорционально частоте вращения и выходной мощности.

«Из того, что я видел, переходы между балкой и большим концом и места перехода балки в малый конец, эти два радиуса определенно подвергаются наибольшему напряжению в большинстве случаев, которые я рассматривал», — сказал Стотерс.

Вот где в игру вступают дизайн, материалы и производство. При разработке своих новых удилищ BoostLine компания Wiseco стремилась превзойти требования рынка. Сообщается, что шатуны BoostLine идеально подходят для форсированных приложений мощностью до 2000 лошадиных сил или для перестроенных двигателей для гонок на выносливость. Сообщается, что шатуны BoostLine имеют 60-процентное увеличение прочности на изгиб по сравнению с шатунами с двутавровой балкой. Компания провела значительное тестирование готового продукта, но также сначала с помощью анализа методом конечных элементов.

«Конечно-элементный анализ — это, по сути, способ численного расчета напряжений в шатуне, и мы можем сделать это на компьютере, а это значит, что мы можем просмотреть множество различных деталей», — сказал Стозерс. «Мы можем изменить дизайн. Мы можем изменить нагрузку, чтобы имитировать то, что, по нашему мнению, увидит стержень. Очевидно, что нет полной замены физическим испытаниям, и смоделировать то, что стержень увидит внутри двигателя, чрезвычайно сложно, потому что происходит много всего, но нам нравится упрощать и рассматривать то, что я называю каждым случаем нагрузки в отдельности».

Чтобы выдерживать тяжелые условия эксплуатации, инженеры Wiseco разработали стержни BoostLine с использованием японских спецификаций и использовали хромомолибденовую сталь 4340. Он кованый, что может увеличить вес, но прочность материала первоклассная.

«При ковке вы берете материал и нагреваете его до температуры, необходимой для того, чтобы материал стал ковким, а затем прессуете его в форму с помощью большого кузнечного станка», — сказал Ник ДиБлази, глобальный менеджер по автомобильным продуктам и менеджер. инженерного дела для Wiseco. «Это не льется. По сути, вы берете очень горячий кусок материала и разбиваете его в форме формы, и это выравнивает структуру зерна, чтобы она стала прочнее. Так что кованый кусок материала всегда будет прочнее своего цельного аналога».

С точки зрения дизайна, три кармана на большом конце удилища BoostLine уменьшают вес в точках напряжения, где удилище было усилено. Wiseco также использует стержневые болты ARP и включает в себя инструкции по установке и смазку для резьбы с каждым комплектом.

Wiseco рекомендует использовать для сборки двигателя датчик растяжения стержневых болтов, а не установку крутящего момента. Это растяжение, как указал Стотерс, является ключом к поддержанию зажимной силы. В целом, это примерно от 0,004 до 0,006 дюйма растяжения — примерно такой же толщины, как лист бумаги.

«Это чрезвычайно важно, чтобы убедиться, что трение между болтами, смазкой и самим штоком соответствует результатам испытаний, которые мы провели», — сказал Стозерс.

В некоторых случаях шатуны весят больше, чем стандартные, но в других случаях меньше, вероятно, там, где используются заводские турбины. Стержни BoostLine являются излишними для многих двигателей, которые обычно можно увидеть на выходных НАСА. Однако для приложений с высокой мощностью или в случаях, когда надежность имеет первостепенное значение, они могут соответствовать всем требованиям. Boostline имеет номера деталей для автомобилей Chevrolet с большими и малыми блоками, двигателей GM LS, модульных двигателей Ford и двигателей Coyote, а также для популярных двигателей Honda, Mitsubishi, Nissan, Subaru, Toyota и VW.

«Если вы собираетесь запускать двигатель в течение 24 часов, этот стержень для вас», — сказал ДиБлази. «Если бы вы действительно хотели поместить туда что-то, о чем вам не хотелось бы беспокоиться, то это то, что вы хотели бы добавить туда».

РЕСУРСЫ

www.wiseco.com

http://blog.wiseco.com/wisecos-new-2000hp-capable-boostline-connecting-rods

Изображение предоставлено Wiseco

Признаки неисправности Шток

Признаки неисправности шатуна